基于K60的載人平衡車

北方民族大學　魏彩穎　祝　玲　孟慶宇　李　鑫

基于K60的載人平衡車

北方民族大學魏彩穎祝玲孟慶宇李鑫

隨著低碳社會的到來，節能減排已然成為當今社會的主流。作為環境污染的主要制造者，汽車尾氣越來越成為人們關注的 題。基于這種狀況，我們設計制作了一種新型節能的交通工具：兩輪自平衡車。平衡車以電能為主要動力，用現在主流芯片FREESCALE K60最為控制核心，采用高精度六軸陀螺儀來控制平衡。本設計不僅最大程度緩解了環境污染問題，而且緩解了城市擁堵，一舉兩得。

低碳社會；節能減排；FREESCALE K60；陀螺儀；城市擁堵

1.緒論

現如今環境問題愈演愈烈，交通狀況越來越差，已經嚴重影響到人們的日常工作和生活。鑒于此，本文設計了一種完全電能驅動的小型載人兩輪平衡車。本設計以“飛思卡爾”智能車競賽直立組為靈感，采用freescale系列K60芯片為主控制器，以當今市場主流高精度六軸陀螺儀MPU6050作為角度采集模塊。軟件方面則采用了卡爾曼濾波算法融合陀螺儀的加速度和角速度，得到一個穩定的實時相對角度數據，然后利用經典PID和模糊算法對數據進行處理之后PWM控制電機驅動輸出，平衡車持續保持穩定。

2.總體設計

文章所設計的兩輪平衡車采用16bit數字陀螺儀實時檢測車體的俯仰以及傾側狀態和狀態的變化率，經過高速的cotex M4內核的K60芯片將數據通過一定算法進行融合得到一個穩定的狀態信息，從而控制電機前進或者后退保持車身平衡并且提供報警信息，同時通過編碼器隨時檢測電機速度，構成一個反饋系統，是平衡車穩定。

圖1　

3.系統硬件設計

平衡車系統硬件設計主要包括主控制器、角度采集模塊、電機驅動模塊、電源模塊。以下將依次介紹。

3.1freescale K60主控模塊

飛思卡爾半導體是世界領先的半導體公司，其專注于嵌入式處理解決方案。飛思卡爾面向汽車、網絡、工業和消費電子市場，提供的技術包括微處理器、微控制器、傳感器、模擬集成電路和連接。而其旗下的K60微處理器則是一個常用的版本。此版本是基于cotex m4內核的Kinetis系列芯片，主要應用于汽車智能方面，現在作為飛思卡爾智能車競賽主要控制器。

3.2MPU6050六軸陀螺儀

在平衡車制作及運行過程中，另外一個重心就是姿態獲取及處理。在本次設計中，我們選取現在市場上熱門的六軸數字陀螺儀MPU6050模塊，此模塊集成了三軸陀螺儀和三軸加速度計，通信方式為標準IIC通信協議，并且芯片內置16bit AD轉換器和16bit數據輸出，在精度上完全能夠達到要求，并且降低了算法復雜度。

3.336V電機驅動模塊

在平衡車的電機驅動部分，采用l298電機驅動芯片，這塊芯片內部包含四通道邏輯驅動電路。主要應用于二相和四相電機，可驅動46A、2A以下的電機。在本次設計中，為了保證驅動能力，采用兩塊驅動模塊單獨驅動。驅動芯片內部電路圖如圖2所示：

圖2　

4.系統軟件設計

4.1系統軟件流程圖

本文所設計的平衡車系統在軟件方面主要分為：系統初始化，系統中斷持續采集信號，卡爾曼濾波，PID控制系統，PWM輸出。流程圖如圖3所示：

圖3　

4.2系統初始化

系統初始化是對主控芯片的引腳輸出以及中斷控制器和IIC通信接口進行配置，還有一些外圍模塊的初始化設置。主要作用是保證系統運行所需要的部分能夠正常運行，并且能達到預期的標準。

4.3卡爾曼濾波

卡爾曼濾波（Kalman filtering）一種利用線性系統狀態方程，通過系統輸入輸出觀測數據，對系統狀態進行最優估計的算法。由于觀測數據中包括系統中的噪聲和干擾的影響，所以最優估計也可看作是濾波過程。在本文所涉及的濾波算法主要作用是對陀螺儀所采集的加速度和角速度值進行數據融合，得到一個最優角度數據，從而進行姿態矯正，保證平衡車平穩運行。

4.4PID

PID控制算法是一種應用最經典的自動化控制算法，其名稱是由比例、積分、微分英文單詞的縮寫。其中P值是對宏觀的調整，在大偏差下對數據作調整，I值和D值則是對微觀的調整，保證了數據誤差的提前改善。而在平衡車設計中，只采用PI控制，整體控制在四旋翼以及多旋翼中比較常見。

［1］韓學軍，王義軍.模擬電子技術基礎［M］.中國電力出版社，2013，03.

［2］閻石.數字電子技術基礎［m］.高等教育出版社，2006，05.

［3］袁帥.兩輪自平衡機器人系統的設計.北京交通大學碩士論文，2012.

with the advent of the low-carbon society， energy-saving emission reduction has become the mainstream of today’s soci a topic of concern. Based on this situation， we have designed a new type of energy saving vehicle： two wheeled self balancing vehicle. Balance car with electric energy as the main power， with the current mainstety. As the main producer of environmental pollution， automobile exhaust has becomeream chip FREESCALE K60 the most control core， using high-precision six axis gyroscope to control the balance. This design not only alleviates the problem of environmental pollution，And to ease the congestion of the city， shoot two hawks with one arrow.

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